supelec thèse de doctorat

N˚d’ordre : 2013-20-TH
SUPELEC
Ecole Doctorale EMMA
“Energie, Mécanique et Matériaux”
THÈSE DE DOCTORAT
DOMAINE : SPI
Spécialité : Photonique
Soutenue le 15 octobre 2013
par :
Vianney CAULLET
Dynamique des patterns optiques dans un système photoréfractif
Directeurs de thèse Delphine WOLFERSBERGER Supélec, France
Marc SCIAMANNA Supélec, France
Composition du jury
Président du jury Robert KUSZELEWICZ Laboratoire de Photonique et Nanostructures, France
Rapporteurs Eric LOUVERGNEAUX Université des Sciences et Technologies de Lille, France
Mustapha TLIDI Université Libre de Bruxelles, Belgique
Examinateurs Eugenio FAZIO Université La Sapienza, Italie
Marc FONTANA Université de Lorraine, France
Nicolas MARSAL Supélec, France

2

3
Remerciements
Cette thèse, financée par la Fondation Supélec et l’institut Carnot C3S, s’est déroulée à
Metz au LMOPS (Laboratoire Matériaux Optiques Photoniques et Systèmes), laboratoire
de recherche commun entre Supélec et l’Université de Lorraine. Je tiens tout d’abord à
remercier vivement Delphine Wolfersberger et Marc Sciamanna, mes deux directeurs de
thèse. Ce fut un grand plaisir de travailler avec eux ces dernières années. J’ai beaucoup
appris à leur contact. Je remercie Nicolas Marsal avec qui j’ai beaucoup travaillé et qui a
été un co-encadrant officieux. Merci aussi aux membres du jury d’avoir accepté de lire et
critiquer ma thèse.
La réalisation de cette thèse n’aurait pas été possible sans le soutien des membres
de l’atelier, des techniciens, des secrétaires, des informaticiens. Je remercie Mario pour la
réalisation de pièces pour mon montage expérimental. Je remercie Fabienne pour son aide
pour les côtés administratifs de ma thèse. Je remercie Gilles pour sa bonne humeur et sa
disponibilité pour régler les problèmes informatiques.
Je remercie les enseignants-chercheurs et les doctorants du laboratoire pour tous les
bons moments passés. Merci à Charles et Laurent pour les innombrables fois où on a
trinqué ensemble, dans les bars messins ou écossais. Merci à Mourad pour les délires qu’on a
partagés. Merci à Bassem pour nos longues discussions. Merci à Edouard pour les descentes
dans les Vosges. Merci à mon collègue de bureau pendant ces trois ans, Andreas que j’ai
beaucoup apprécié côtoyer. Merci à Lucie pour toutes nos séances de piscine. Merci à Joris
pour sa sympathie. Merci à Marie pour sa bonne humeur quotidienne. Et merci au pote
Mathieu, toujours disponible pour les rigolades ou les confidences.
Enfin, du plus profond de mon coeur, je remercie ma famille. Cette thèse leur est dédiée.

4

Table des matières
1 Contexte et motivations 13
1.1 Les patterns dans la nature ........................... 14
1.1.1 Qu’est-ce qu’un pattern ? ........................ 14
1.1.2 Quelques exemples ............................ 15
1.1.3 Pourquoi étudier les patterns ? ..................... 17
1.2 Les patterns optiques ............................... 17
1.2.1 Effets transverses dans les systèmes non étendus (cavités laser) . . . 18
1.2.2 Les patterns dans les systèmes optiques étendus ............ 19
1.2.3 Les observations expérimentales de patterns dans les systèmes pho-
toréfractifs ................................ 26
1.3 Les moyens de contrôle des patterns ...................... 30
1.3.1 Déplacement longitudinal du miroir ................... 31
1.3.2 Désalignement du miroir ......................... 31
1.3.3 Rotation de la rétroaction ........................ 32
1.3.4 Filtrage de vecteurs d’onde ....................... 32
1.3.5 Contrôle par la polarisation ....................... 33
1.4 Effets dynamiques des patterns ......................... 34
1.4.1 Chaos spatiotemporel .......................... 35
1.4.2 Régimes convectif et absolu, structures entretenues par le bruit . . . 37
1.4.3 Événements extrêmes ou “rogue waves” ................. 39
1.4.4 Structures localisées ........................... 40
1.5 L’apport de cette thèse .............................. 42
2 Description du système 45
2.1 Description du banc expérimental ........................ 46
2.1.1 Schéma du montage ........................... 46
2.1.2 Le cristal photoréfractif ......................... 46
2.1.3 La rétroaction optique .......................... 47
2.1.4 Systèmes d’imagerie ........................... 48
2.1.5 Bras optique pour des mesures interférentielles ............ 48
2.1.6 Résultats ................................. 49
2.2 Description théorique ............................... 49
2.2.1 Modèle .................................. 50
2.2.2 Instabilité de modulation (analyse de stabilité linéaire) ........ 52
2.2.3 Analyse numérique par la “Beam Propagation Method” ........ 56
2.2.4 Résultats ................................. 57
2.3 Conclusion ..................................... 59
5